化學的填字遊戲? / 蔡蘊明

星期六 , 2, 一月 2016 Leave a comment

化學的填字遊戲?

蔡蘊明

國立臺灣大學化學系
ymtsai@ntu.edu.tw

n  前言

國際純粹及應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)與國際純粹及應用物理聯合會(International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP)在去年(2015)末宣佈,已經成功的證實四個原子序數為113115117,和118的新元素之存在,因此化學元素週期表的第七行(或第七週期)正式宣告填滿,如圖一所示。

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圖一:化學元素週期表第七週期宣告填滿

(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Transuranium_element

週期表向來是與化學緊密連結的圖騰,此消息一出,讓化學難得的在各大報章上博取了不少的版面,但激情過後,我們要問,這對化學到底有何影響?化學追求的會是一個像填字一般的遊戲嗎?這種淪落於膚淺的認知不是化學的專利,君不見民眾對生物的認知好像也只是基因密碼的破解,對物理的認知好像只是基本粒子的追求,何其一般。因此,站在一個化學人的立場,讓我們來探索一下這個領域真正在追求的是什麼。

n  簡介

為了方便理解本文,先對核化學的常見表達方式做簡單的說明。化學家會在元素符號的左下角註明其原子序,亦即該元素核內質子的數目,符號的左上角則註明其核內質子與中子合計的數目,稱為質量數。例如:紀念科學家波爾的元素bohriumBh, ),以Bh為其元素符號,Bh的一個同位素可用 clip_image004 表示,意指其原子序數為107,核中除了107個質子外,還有155個中子(同位素係指二核種具有相同的質子數但不同的中子數),質子與中子數目之合就是質量數。另請注意,在討論核的變化時,通常不會註明核外的電子數目以及是何種化學型態(化合物)。

n  融合

通常在鈾元素(原子序數為92)之後的元素,稱為超鈾元素,大都是透過人工合成的,為不穩定的並具放射性,會衰變成其它核種,每一個特定的核種會具有其獨特的衰變方式,一步步衰變至一個穩定的元素,這一系列的衰變稱為衰變鏈(decay chain)。

第一個超鈾元素是在1940年在美國加州大學柏克萊分校的兩位物理學家Edwin Mattison McMillanPhilip Hauge Abelson所製造的,他們以中子(clip_image006)撞擊氧化鈾(鈾238)得到鈾-239,如式[1]所示,而鈾239接著衰變成為錼(neptunium-239)並釋放出beta-射線(clip_image008),如式[2]所示。

clip_image010 + clip_image006  à clip_image012    [1]

clip_image014 à clip_image016 + clip_image018    [2]

在錼衰變的過程中,核內中子釋放出帶負電的電子而轉變成帶正電的質子,因此原子序數增一而質量數不變。

以上的合成方法是透過不帶電的中子撞擊核,這種融合較為容易,而許多超鈾元素是經過核融合來製備的,也就是以一個核去撞擊另一個核,但由於質子帶正電,因此核具正電,使得核融合因為正電的相斥而非常困難,需要非常高的能量,基本上是透過線性加速器或環形加速器將某離子加速,以極高的能量撞擊塗佈另一核種的靶來引發核融合。例如原子序為114的鈇(flerovium;元素符號為Fl),是在1999年透過鈣-48clip_image020)撞擊鈽-244242clip_image022, clip_image024)的靶所得到的,其中質量數289的同位素(clip_image026)最穩定,其半衰期為2.7秒。在此核反應中,鈣的原子序(20)加上鈽的原子序(94)就等於鈇的原子序(114)。

若是以較輕的核種為加速的離子去撞擊重核種的靶,得到的核融合產物會以較高的能量狀態存在,這稱為熱融合(hot fusion)。因為融合產物處於高能狀態,很容易進行核分裂產生原子序小的核種,因此使得熱融合只能合成到原子序106者為止。但後來發現若用較重之核種的離子作為撞擊者(例如鈣),撞出的融合產物會處於較低的能量狀態,被稱為冷融合(cold fusion)。

這屬於高能物理的研究領域,概念上好像很簡單,而喜歡看科幻電影的讀者可能注意到「鋼鐵人」影片中,主角天才科學家史塔克為了尋找強大能源,認為需要一種新的元素,是而一天之內架起一套加速器,三兩下就製造出了一個了不得的新元素,放在胸前以供駕馭那套鋼鐵服裝。但在現實的層次,要建立一部加速器是需要億級以上的經費(這當然難不倒史塔克),更要花上數年的時間來建造,每年至少上千萬的經費來維護,能夠運轉之後必須耐心的打靶,撞個十天半月才能得到數新的核種並不令人意外,但要確認是否撞出新的元素還需要很漫長的時間去解讀分析收集所得的資料,整個過程絕非科幻電影所描述的那般神奇,科學家需具有的耐心和毅力在這個領域彰顯無疑,更不用說這些超鈾元素都是具有放射性的,處理時要極度的小心,要能放在心窩還能在天空飛翔戰鬥,根本是神話了!

實際上,現今有財力和能力執行核融合實驗的地方屈指可數,其中最著名者包括位於蘇俄Dubna(杜布納)的Joint Institute for Nuclear Research(簡稱JINR),美國加州柏克萊附近的Lawrence Livermore National Laboratories(簡稱LLNL),位於德國Darmstadt達姆城Institute for Heavy-Ion Research(簡稱GSI),以及日本的理化研究所(RIKEN)。

n  分析與鑑定

上述提及,要產生新的元素需要無數次的撞擊,可以想像會產生各種各樣的物質,因此如何從複雜的背景訊號中尋找極少量新的元素,成為新技術開發的強大動力。大致說來,要有技術將性質接近的核種分離,此外這些新元素都很不穩定,需要有精密的探測裝置,追蹤各種粒子的運動路徑,包括其位置時間及分裂狀況,量度其動能及各種性質,透過核衰變鏈中的母子(parent-daughter)關係來推測與核對,這必須從實驗時收集到的龐大資料中去搜尋和解讀。理論學家也要透過計算去事先預測及事後推算,因此除了在加速器線上的實驗之外,另需強大的電腦運算裝置和人才來合作。實際上,當實驗完成之後常需要數年的時間來處理數據,因此不難注意到新聞記者會公佈發現新元素,到真正在科學期刊上發表,常有幾年的落差。

由於整個過程極端的複雜,因此科學家極端重視的實驗複製變得非常重要,而這個複製需要在不同的實驗室來完成,也因此等待證實又需數年的時間,整體從發現新元素到被國際組織認證花上十年也不為過,真所謂十年鐵杵磨成繡花針。例如上述的鈇(Fl)是1999年在蘇俄杜布納的JINR首先發現,到了2009年才得到美國Lawrence Berkeley National Laboratory LBNL)的證實。

一旦被IUPACIUPAP認證之後,首度發現該元素的單位就被賦予了命名權(包括代表符號),那是至高無上的榮譽,也是另一新聞的焦點。例如本次造成轟動的一個新元素113的首發單位是日本的RIKEN,這是史上第一次日本得到此項榮譽,也是亞州的第一次,許多人預測其名稱可能為“japonium”。實際上以國家為名的還有原子序數為95americium,不難猜出是以美國為名。再以上述的鈇為例,一直要到了2011年才獲得IUPACIUPAP的認可正式進入週期表,而隔年(2012)年得到flerovium的名稱。剛由IUPACIUPAP承認的那四個新元素,預期元月底會正式進入IUPAC公佈的新週期表中,預計再過半年會訂出這幾個新元素的名稱,除了新元素113的命名權屬於RIKEN之外,新元素115117則屬於共同合作的JINRLLNL和美國的Oak Ridge National Laboratory來命名,而新元素118的命名則是由俄國的JINR與美國LLNL來做

n  新元素的化學

說明至此,其實都是核物理和核變化,貴為化學週期表的一員,新元素的化學何在?從化學的立場來看,這當然是更重要的一環,但是要研究新元素的化學性質極其不易,尤其是原子序數超越100而被稱為超重元素(super-heavy elements)者,通常都具有很短的半衰期,更不用說得到的數量又少,這使得研究其化學性質和反應非常困難。

如果真能得到足夠量的新元素,化學家會希望先將之還原,取得電子構造,游離能,原子半徑,熔點,密度,穩定存在的離子價數,化學活性,以及能生成的化合物和其價鍵數等等資訊。這些資訊要拿來與理論計算所得的推測做比較,以檢驗理論的正確性。我們知道週期表是按照元素的化學性質來安排的,因此新元素的性質是否在各方面仍然遵守此一規則,是科學家極欲知道的,例如新元素117應屬於鹵素類的化合物,那麼實際上的化學性質是否真的如此呢?

理論學家很早就透過計算推測具有質子數為114,中子數為184附近的元素,會有一個所謂的穩定區island of stability)存在,這也是科學家期待證實的。然而目前能合成的是 clip_image026,可能是在穩定區的邊界,尚未能得到理論上最穩定的 clip_image028

科學家對超重元素有興趣的一個原因在於它們具有非常高的核電荷,這使得核與核外電子之間的引力很強,尤其是內層軌域之電子,運動的速率將趨近於光速,預期會產生明顯的相對論效應relativistic effect),內層軌域的電子會非常貼近核,並會使得價軌域的電子不穩定,這可能會使得這類元素具有不尋常的物理和化學性質,那會不會使得它們在週期表上的位置必須調整呢?對理論科學家而言,這個領域是挑戰量子力學與相對論如何融合的場所,但許多問題的答案需要實驗科學家持續的努力。

現在先讓我們看看這最新認證的四個明星元素發現的過程。

n  新元素113

2004年的時候,俄國的JINR與美國LLNL合作的研究人員宣佈在合成新元素115的時候,觀察到其衰變鏈中包括了另一新元素113,不過2011年時,IUPAC IUPAP組成的委員會認為他們提出的證據不夠充分。同時在20042005年,日本RIKEN的超重元素實驗室研究人員,以加速的鋅離子(30Zn)撞擊塗佈了鉍(83Bi)的靶,得到了充分的證據顯示 clip_image030 的存在,因為此新元素113的名稱尚未定,此處讓筆者以IUPAC所訂的命名法則由Uut來表示,此符號中的英文字母u代表數字1,而英文字母t代表數字3,其113的意義望文而生。

clip_image030經過六次的alpha-衰變,最終得到 clip_image032,如式[3]所示。此處所謂的alpha-衰變是指分裂出alpha-粒子,亦即氦核(clip_image034),脫去六個alpha-粒子使核中少去12個質子,產生具有101個質子的鍆(mendelevium, Md)是可以推測的。這並非在紙面上算算即可,這個新的核必須分離並導入一個裝置,嚴謹的檢驗這個衰變鏈中的每一個產物,透過已知的核種的半衰期檢驗產生鍆所花的時間。

clip_image030  à  clip_image036  à  clip_image038  à  clip_image040  à  clip_image042  à  clip_image044  à  clip_image032    [3]

RIKEN的實驗是從2003年九月開始的,一直進行了553天才得到三顆Uut,個中辛苦不言而喻。在2012年,RIKEN的研究者報導他們又第四度的得到相同的結果,於2015年末,終於得到國際組織認可。

n  新元素115

上述已經提到2004年有關新元素115的發現,該組研究人員是以鈣離子(clip_image020)去撞擊 clip_image046,找到四個衰變鏈與新元素115有關,在此以Uup為此新元素的符號(p代表數字5)。有三個衰變鏈是 clip_image048 在維持了約0.1秒之後丟出alpha-粒子產生 clip_image050,然後在約20秒內透過四次alpha-衰變得到 clip_image052,非常有趣的是此一超重元素dubniumDb)的同位素268之半衰期竟可達約一天。他們另觀察到一顆 clip_image054 在約半秒之內經過四次alpha-衰變,接著進行迅速的核分裂。

在此系列研究中由於可得到半衰期很長的 clip_image052,在未來應有機會仔細研究其各方面的性質,以及為何如此的穩定。

2013年,瑞典 Lund university的研究人員使用德國GSI的設備複製了上述的實驗,也因此使得此新元素修成正果。

n  新元素118

在此以Uuo為此新元素的符號(o代表數字8),此元素的發現有些轉折,早在1999年,美國LBNL的研究人員宣佈透過氪(clip_image056)離子撞擊鉛(clip_image058)得到了 118Uuo,然而在2001年他們又宣布回收當初發表的論文,因為他們在20002001年企圖複製該實驗時未能成功,同樣在德國和日本的研究人員也無法複製,回頭檢驗1999年的實驗結果時卻找不到相關數據,在當時很難不懷疑是有人竄改了數據,是轟動一時的事件,此一事件也凸顯了在不同研究單位重複實驗的重要性。

不過俄國的JINR與美國LLNL2002年開始合作的研究,以鈣離子(clip_image020)去撞擊 clip_image060,在經過數千小時的撞擊之後成功的得到一顆 clip_image062,它經過三次alpha-衰變,接著迅速進行進一步的核分裂。這次研究人員非常小心地在2006年複製了實驗的結果,另得到了兩顆,而於同年正式公佈。

n  新元素117

目前IUPAC暫以Uus 為此新元素的符號(s代表數字7),是這第七週期中最後一個被發現的元素。這個里程碑的到達是在2010年宣佈的,合作的單位包括了JINRLLNL與美國Oak Ridge National LaboratoryVanderbilt University,以及在拉斯維加斯的University of Nevada。因此即便IUPAC尚未認可,翻看一些最新版的普通化學教課書放在第一頁的化學元素週期表,其實已將第七行填滿。

他們以鈣離子(clip_image020)去撞擊 clip_image064,得到了 clip_image066  clip_image068 這兩個同位素以及觀察到它們獨特的衰變鏈。同組人馬在2012年又成功的複製了同樣的結果,而於2014年在德國GSI的加速器,另外一組研究人員也證實了此新元素的存在。

n  結語

是的,化學元素週期表上的第七週期已經填滿,但這個人類的成就其實在2010年就已經達成,最近國際學會IUPACIUPAP又成功的掀起了一番熱議。雖說填滿,但是否歸位尚為未定之數,這是因為這些原子序數大於100的超重元素,由於核內具有極多帶正電荷的質子,可能會影響它們的化學性質,而元素週期表乃是按照其化學性質分門別類,那麼這些新元素是否仍會遵守舊理論的預期而表現其性質,仍須檢驗。苦於這些新元素產量的稀少,加上其不穩定性,要想研究它們的化學性質,是更艱鉅的挑戰。

誠然,科學研究的一大動力就在探索未知,觀察萬物和各種精心設計的實驗結果創造了各種理論,在這個核化學和物理的領域裡,已經對超重元素有許多的預測,新的實驗結果要回過頭來檢驗現行的理論,這樣的循環就是科學知識向前邁進的不變過程。

為了探索新的元素,新的分析方法會因而建立,更敏感更快速的感測裝置必須發明,過去有太多的例子顯示,這些進展終將擴展到其它的領域而有所貢獻。

或許你妳沒有發現,第八週期的競逐早就開始了!這篇文章起於一個問號,在這終了,我們最後要問:化學元素週期表是否會有終點呢?

n  參考資料

1.    Discovery and Assignment of Elements with Atomic Numbers 113, 115, 117 and 118. IUPAC. 30 Dec. 2015. http://www.iupac.org/news/news-detail/article/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118.html.

2.    Transuranium element. Encyclopaedia Britannica. Britannica Academic. Encyclopædia Britannica Inc., 2016. Web. 20 Jan. 2016. http://academic.eb.com/EBchecked/topic/603220/transuranium-element.

3.    P. Ball. New Chemistry Revives Elementary Question. Nature, 2016, V 529, 129.

4.    M. Jacoby. New Superheavy Elements Created. C&EN, 2004, V 82 (6), 7.

5.    E. K. Wilson. Element 113 Spotted Again. C&EN, 2012, V 90 (40), 52.

6.    Lucky number 113 RIKEN Research, 2016. Web. 5 Jan. 2016. http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/7120/

7.    E. K. Wilson. IUPAC Approves Element Names. C&EN, 2012, V 90 (24), 36.

8.    M. Jaco. Elements 116 and 118 Retracted. C&EN, 2001, V 79 (32), 10.

9.    J. Kemsley. Element 115 Detected Again. C&EN, 2013, V 91 (35), 13.

10.  E. K. Wilson; J. Kemsley. Element 117 Created. C&EN, 2010, V 88 (15), 9.

11.  J. Kemsley. Element 117 Repeat. C&EN, 2014, V 92 (19), 28.

12.  M. Jacoby. Element 118 Detected, With Confidence. C&EN, 2006, Web. 17 Oct. http://cen.acs.org/articles/84/web/2006/10/Element-118-Detected-Confidence.html.

13.  M. Jacoby. Heavy Weights Yield to Computation. C&EN, 2002, V 80 (50), 11.

14.  J. Kemsley. Seventh Row of the Periodic Table is Now Complete with Addition of Four Elements. C&EN, 2016, V 94 (2), 6.

 

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